功能增长的生成模型解释生物与社会系统中隐藏的自相似结构

从基因组和生态系统到官僚制度和城市，复杂系统的增长通过添加新的功能类型并扩充现有功能来实现。我们提出一个简单的生成模型，对Yule-Simon过程进行了推广，包括：（i）引入新功能的大小依赖概率，以及（ii）用于扩充现有功能的广义优先连接机制。我们发现一种共享的底层结构，帮助解释功能多样性在经验观察中的演化，如原核生物质体、美国联邦机构和城市经济。我们显示，真实系统往往最好地表示为具有非Zipfian等级-频率分布，由次线性优先连接驱动，同时仍保持其丰度分布中的幂律比例。此外，我们的分析解释了复杂系统中功能元素组织的五个不同阶段。该模型整合了关于城市多样性对数生长和其等级-频率分布自相似性的经验发现。城市等级-频率分布中观察到的自相似性在细胞和联邦机构中未被观察到——但在相对于总体多样性进行的重新缩放后，所有系统都容纳了我们理论预测的自相似结构。